離子注入光電晶體損傷誘導(dǎo)折射率改變及波導(dǎo)導(dǎo)模特性研究.pdf

1、波導(dǎo)就是折射率高的區(qū)域由折射率低的區(qū)域包裹的結(jié)構(gòu)。它可以把光限制在較小的區(qū)域傳播以提高光密度，從而更好的利用非線性晶體的非線性性質(zhì)或者降低激光材料的泵浦閾值。波導(dǎo)是集成光學(xué)的基本單元，在各種光器件的制造中起著重要的作用。由于光波導(dǎo)的重要應(yīng)用價值，人們一直在探索有效的方法來制備具有優(yōu)良性能的光波導(dǎo)。離子注入作為一種有效制備光波導(dǎo)的技術(shù)，引起了人們廣泛的關(guān)注，迄今為止，人們已經(jīng)利用離子注入技術(shù)在包括光學(xué)晶體、玻璃、半導(dǎo)體以及有機(jī)聚合物在內(nèi)的

2、大量光學(xué)材料中形成了光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，取得了許多進(jìn)展。 現(xiàn)在國際上多采用能量為幾兆電子伏特(MeV)的輕離子(如He，H)注入到光學(xué)材料內(nèi)，在表面下幾微米的范圍內(nèi)形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。這種方法主要是利用在注入離子的射程末端形成一個折射率降低的光學(xué)位壘，在光學(xué)位壘和空氣之間所夾的區(qū)域形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。然而輕離子注入的一個主要問題是形成波導(dǎo)的注入劑量較高，一般在～10<'16>ions/cm<'2>，從而大大的增加了成本。而且，有些晶體在相當(dāng)高的劑量

3、下仍難形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。在用低劑量(10<'14> ions/cm<'2>)重離子注入鈮酸鋰、釩酸鐿等晶體制備波導(dǎo)時發(fā)現(xiàn)不僅在射程末端有折射率降低，在某一雙折射方向上還存在波導(dǎo)區(qū)域折射率增加的現(xiàn)象。用這種方法形成的波導(dǎo)與高劑量(10<'16>ions/cm<'2>)輕離子(He，H等)相比有著注入時間短、成本低等優(yōu)點。而且這種方法形成的波導(dǎo)沒有位壘型波導(dǎo)的隧道效應(yīng)，可以大大降低波導(dǎo)的損耗，從而提高波導(dǎo)性能。因此研究離子注入光學(xué)材料波導(dǎo)區(qū)折射

4、率增加現(xiàn)象不僅有重要的理論意義，而且具有潛在的應(yīng)用前景。 keV離子注入是一種已經(jīng)廣泛在半導(dǎo)體摻雜中廣泛應(yīng)用了的技術(shù)，它與MeV離子注入相比有著注入束流大、價格便宜等優(yōu)點，而且其形成的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與MeV離子注入相比，有著較小的尺寸。用keV的離子注入來形成光波導(dǎo)可以降低成本，更有利于離子注入光波導(dǎo)的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。而且這種方法形成的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)較淺可以用RBS技術(shù)進(jìn)行分析其損傷結(jié)構(gòu)，對于折射率改變機(jī)理的研究具有重要的意義。另外，對

5、于新材料、新晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的制備和研制，以及探索用低劑量重離子注入的方法在更多晶體上形成折射率增加性波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的研究有著重要的實用和理論意義。 本文主要研究利用離子注入方法在鈮酸鋰(LiNbO<,3>)晶體、釩酸鐿(YbVO<,4>)晶體、砷酸鈦氧鉀(KTiAsO<,4> or KTA)晶體、硼酸鋰(LiB<,3>O<,5> or LBO)晶體和摻Y(jié)b的鎢酸镥鉀(Yb：KLu(WO<,4>)<,2>)晶體等光學(xué)材料上形成光波導(dǎo)，通過

6、對光波導(dǎo)的導(dǎo)波模式和退火行為的研究，優(yōu)化離子注入光波導(dǎo)的形成條件：用盧瑟福背散射/溝道技術(shù)研究了光波導(dǎo)中的損傷分布，對離子注入光學(xué)晶體材料折射率增加的形成機(jī)理進(jìn)行了探討。主要結(jié)果如下： 鈮酸鋰(LiNbO<,3>)晶體是一種集電光、聲光、光彈、非線性等效應(yīng)于一體的性質(zhì)優(yōu)良的鐵電晶體。離子注入鈮酸鋰形成折射率增加型的光波導(dǎo)已經(jīng)成功地用多種離子在MeV能級下實現(xiàn)，然而其機(jī)理一直仍不是分清楚。本文通過從晶體的損傷出發(fā)，建立一個模型，成

7、功地解釋了已知的注入形成的鈮酸鋰晶體波導(dǎo)中折射率增加現(xiàn)象。我們首次用keV的離子在鈮酸鋰晶體中形成了折射率增加型的光波導(dǎo)。用keV的離子注入來形成光波導(dǎo)可以降低成本，更有利于離子注入光波導(dǎo)的商業(yè)化。我們又結(jié)合背散射溝道技術(shù)測量了形成的波導(dǎo)區(qū)域的損傷，然后根據(jù)提出的模型計算了波導(dǎo)的有效折射率。計算出的有效折射率較好的符合了實驗值。同時我們用一個光束傳播法計算了模型模擬出的折射率的近場光強(qiáng)分布，并且與實驗結(jié)果比較。兩者有較好的符合。

8、 雙軸晶體砷酸鈦氧鉀(KTiAsO<,4> or KTA)是一種優(yōu)良的電光、非線性晶體材料。KTA晶體同KTP晶體比較有著更大的電光系數(shù)(30％)和非線性系數(shù)(60％)，而且它還有著比KTP更高的激光損傷閾值和較高的熔點。值得注意的是，KTA晶體對中紅外波段的激光有著極低的吸收，這使它在光學(xué)參量震蕩(OPO)方面得到了廣泛的應(yīng)用。我們用高能離子注入的方法首次在KTA晶體中形成折射率增加型的光波導(dǎo)，形成的波導(dǎo)退火后損耗小于一個dB/cm。

9、我們還用端面耦合的方法研究了波導(dǎo)的近場光強(qiáng)分布，測量了其波導(dǎo)尺寸，結(jié)果表明波導(dǎo)尺寸與注入深度相仿。通過對不同離子引起的損傷和折射率改變的比較，討論了其折射率改變的機(jī)理。稀土元素Yb<,3+>離子結(jié)構(gòu)簡單，只有基態(tài)<'2>F<,7/2>和激發(fā)態(tài)<,2>F<,5/2>，量子損失低，一般有高的量子效率，光轉(zhuǎn)換效率高，而且不存在激發(fā)態(tài)重吸收和上轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，可大大減少激光工作物質(zhì)中的熱效應(yīng)。Yb<'3+>離子熒光壽命長，不易出現(xiàn)濃度淬滅。釩酸鐿(

10、YbVO<,4>)晶體是按照等化學(xué)劑量比生長的Yb<'3+>離子摻雜的釩酸鹽，具有高的Yb<'3+>離子濃度，在釩酸鐿晶體上實現(xiàn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以提高光強(qiáng)密度，從而降低泵浦域值，形成波導(dǎo)激光。我們用3.OMeV的氧離子、銅離子注入釩酸鐿晶體，首次在釩酸鐿晶體上形成了光波導(dǎo)。我們分別在波長633nm和1539nm下測到了形成波導(dǎo)的暗模特性圖像，用RCM方法擬和了波導(dǎo)區(qū)域的折射率分布，晶體的折射率在波導(dǎo)區(qū)域出現(xiàn)增加。我們還利用端面耦合的方法研究了

11、波導(dǎo)的光強(qiáng)傳播特性。 雙軸晶體鎢酸镥鉀(KLu(WO<<4>)<,2>或者KLuW)是一種優(yōu)良的激光、非線性晶體材料。鎢酸镥鉀晶體的Lu元素可以被多種稀土元素如Er<'3+>，Nd<'3+>，Yb<'3+>，Tm<'3+>等代替，成為性能優(yōu)良的激光晶體。而且鎢酸镥鉀晶體有著較大的非線性系數(shù)，可 以用二次諧波產(chǎn)生(Second Harmonic Generation或者SHG)或者受激拉曼散射(Stimulated Raman S

12、cattering或者SRS)。三硼酸鋰(LiB<,3>O<,5>或者LBO)晶體是一種優(yōu)良的非線性晶體。三硼酸鋰晶體有著較寬的透光范圍(O.16-2.6微米)和較強(qiáng)的抗損傷域值，可以在寬的波段范圍實現(xiàn)I型和II型非臨界角相位匹配。波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以把光限制在很小的區(qū)間，從而大大提高光密度，可以將晶體的非線性的利用率提高幾個數(shù)量級，可以降低激光晶體的泵浦域值，并且可以將晶體的非線性特性應(yīng)用在集成光學(xué)領(lǐng)域。因此在晶體鎢酸镥鉀和三硼酸鋰上制備波導(dǎo)

13、結(jié)構(gòu)有著重要的意義。我們分別用氧離子注入鎢酸镥鉀晶體和銅離子注入三硼酸鋰晶體形成光波導(dǎo)，研究了其折射率改變和損傷的關(guān)系。 稀土離子釹(Nd)離子是一種出色的激光離子，它可以用IED或者氙燈泵浦實現(xiàn)激光輸出。鈮酸鋰是性能優(yōu)良的非線性晶體，可以實現(xiàn)釹離子激光的二次諧波。將釹離子摻雜進(jìn)鈮酸鋰晶體，可以利用釹離子的激光特性和鈮酸鋰晶體的非線性特性實現(xiàn)波導(dǎo)激光或波導(dǎo)自倍頻。我們用500keV的Nd離子注入鈮酸鋰實現(xiàn)Nd離子的摻雜，通過退火